JP2008285410A - リチャージ装置、原料供給装置、及びインゴット引上げ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホッパー本体の重量が底蓋にかからず、ランプ材がホッパー本体内から落下しなくなることを防止でき、また、ランプ材と金属材料が直接接触せず、動作がシンプルで、金属同士の摺動部がないシリコン単結晶引上げ装置用リチャージ装置を提供する。
【解決手段】リチャージ装置は、ホッパー本体３２に設けられホッパー本体３２を坩堝２０の上方の所定位置に掛止するための第１のストッパー６４と、吊り棒７２に設けられホッパー本体３２を掛止するための第２のストッパー７０と、吊り棒７２を覆う略円筒形状の石英管７８と、ホッパー本体３２に設けられた回り止め６２を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるインゴット引上げ装置に係り、特に、原料シリコンを追加投入するリチャージ装置に関するものである。

半導体デバイスを作製するための基板として用いられる鏡面ウェーハは、単結晶インゴットを薄板部材にスライスし、その表裏面を研削・研磨等することにより得られる。この単結晶インゴットは、例えば、チョクラルスキー法等により製造することができる。図１０は、チョクラルスキー法を用いた一般的な単結晶インゴット引上げ装置１１０の縦断面図である。以下、図１０を用いて、単結晶インゴット引上げ装置１１０による単結晶インゴットの製造方法について簡単に説明する。

単結晶インゴット引上げ装置１１０の内部は、真空またはアルゴンガス等の不活性雰囲気で満たされており、図１０（ａ）に示すように、石英坩堝１２０内には予め多結晶シリコンの塊状のランプ材５０が投入されている。次に、石英坩堝１２０周囲に設けられたヒータ２４により石英坩堝１２０を加熱する。すると図１０（ｂ）に示すように、ヒータ２４の熱により石英坩堝１２０内の多結晶シリコンのランプ材５０は溶融し、原料融液３８となる。次に、単結晶シリコンの種結晶４２をシード軸１６に吊るした状態で矢印方向に下降させ、原料融液３８に浸す。そしてシード軸１６を引上げるに連れて種結晶４２の下に単結晶が成長し、図１０（ｃ）に示すように、円柱形状の単結晶インゴット１を得ることができる。

そして、成長した単結晶インゴット１を炉外に取り出す。従来、この後、ヒータによる加熱を停止して、単結晶インゴット引上げ装置１１０の内部を冷却し、新たな石英坩堝と原料多結晶シリコンの再投入を行う必要がある。通常、石英坩堝１２０の中に原料融液３８が残ったままシリコンの融点以下に冷却すると、融液の凝固時の膨張により石英坩堝１２０が壊れるため、１つの石英坩堝１２０から１本の単結晶インゴットしか製造することができず、コストが増大することになる。そのため、１つの単結晶インゴットの製造工程が終了した後、装置を冷却せずに、石英坩堝１２０の中の原料融液３８の凝固を防ぎながら次の単結晶インゴット製造のための原料多結晶シリコンの再投入を行い、多結晶シリコンを溶融して、再度単結晶インゴットを引上げる単結晶インゴット製造方法が提案されている。

この原料多結晶シリコンの再投入に用いられるリチャージ装置としては、例えば特開昭５７−９５８９１号公報があげられる。また、類似の構成を有するものとして、特開平６−８８８６５号公報に示すドーピング装置があげられる。

これらのリチャージ装置やドーピング装置として用いられる通常の中吊り式のホッパーは、単結晶への不純物汚染の防止と耐熱性を考慮して、材料として石英を選択し、なおかつホッパー内部の状況が確認できるように透明なものを用いて製作されている。
国際公開第２００２／０６８７３２号 特開平０９−２０８３６８号公報 特開平０８−２９５５９１号公報

ところが、図１１に示す底蓋１３６に透明石英を用いた中吊り式のホッパー１３０にランプ材５０を詰めて、ランプ材５０を追加投入する場合、透明石英は熱を透過し易いため、炉内に保持される時間が長くなるに連れて融液３８からの熱輻射によりホッパー１３０内部が高温になる。そのため、ランプ材５０同士あるいはランプ材５０と石英とが固着し、ランプ材５０が落下しづらくなるという問題があった。

また、特開昭５７−９５８９１号公報に示すリチャージ装置は、形状が複雑でモリブデン，ステンレス等の耐熱材料が用いられており、これらの金属材料を融液直上で使用しているため、シリコン融液が汚染される可能性がある。更に、ヒンジ等を金属部品で製作すると、上記雰囲気では潤滑が不可能なため、焼付や摺動部の消耗が問題となる。

また、ランプ状半導体原料、及び、ホッパー自身の重量の合計はシード軸と底蓋の接合部に加わる。筒体に装填された原料のランプ材は、その重量を筒体に負荷するため、ほとんどの重量を、底蓋と筒体の先端部の当接部で支持することになる。

更に、筒体は石英ガラス製であり、底蓋はモリブデン板製のため、負荷する重量が増大した場合に、筒体と石英ガラスとの接触部の破損の可能性が大きくなる。

また、特開平６−８８８６５号公報に示すドーピング装置は、これを大型化してランプ状半導体原料を装填して、リチャージに使用することも考えられるが、これを吊り上げた状態では、全重量が石英製底蓋とシード軸の接合部、ついで、石英製底蓋の上辺周辺部とテーパー管下端に加わる。

この部分は石英ガラス同士の接触のため、負荷する重量が増大した場合に破損の可能性が大きくなる。また、石英ガラス製の底蓋を吊着するにはタングステンワイヤ等が用いられるが、テーパー管にランプ材を充填した時に、ランプ材と接触して、金属汚染の原因となる。また、タングステンワイヤとランプ材との摩擦により、テーパー管をリングプレートに掛止した後に、引上軸を降下しつづけても底蓋が開かないことがある。

本出願に係る発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その第１の目的とするところは、ランプ材の温度上昇を低減し、ランプ材が底蓋上で溶融して貼り付いたり、熱膨張によりブリッジを形成して落下しなくなることを防止することができるリチャージ装置を提供することにある。

また、本出願に係る発明の第２の目的は、インゴットの大型化、チャージ量の増大、リチャージ重量の増大に対して、大重量のランプ状半導体原料を装填可能にするため、筒体の重量が底蓋にかからないリチャージ装置を提供することにある。

更に、本出願に係る発明の第３の目的は、高温部に金属材料を使用せず、また、ランプ材と金属材料が直接接触しないリチャージ装置を提供することにある。

また、本出願に係る発明の第４の目的は、動作がシンプルで、金属同士の摺動部がないリチャージ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、を有するリチャージ装置において、前記シャフトに設けられ前記ホッパー本体を掛止するためのストッパーを有することを特徴とするリチャージ装置である。

また、本出願に係る発明は、略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、を有するリチャージ装置において、前記底蓋の材質に、気泡を含んだ石英ガラスを用いたことを特徴とするリチャージ装置である。

更に、本出願に係る発明は、略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、を有するリチャージ装置において、前記底蓋の材質に、赤外線透過率が４０％〜６０％の石英を用いたことを特徴とするリチャージ装置である。

また、本出願に係る発明は、略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、を有するリチャージ装置において、前記ホッパー本体内に、前記シャフトを覆う略円筒形状の石英管を有することを特徴とするリチャージ装置である。

更に、本出願に係る発明は、略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、を有するリチャージ装置において、前記ホッパー本体に、回り止めを有することを特徴とするリチャージ装置である。

また、本出願に係る発明は、石英ガラスの略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する錐体の底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、前記ホッパー本体に設けられホッパー本体を坩堝上方の所定位置に掛止するための第１のストッパーと、を有するリチャージ装置において、前記ホッパー本体は、上端開口部を覆う天板と、前記天板に穿設されたシャフト挿通用の貫通穴と、を有し、前記シャフトは、長さ調節が可能な吊り棒と、前記吊り棒の中程に固定され前記ホッパー本体を掛止するための第２のストッパーと、前記底蓋と一体として成形された石英ガラス棒と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒とを連結する連結器と、を有することを特徴とするリチャージ装置である。

更に、本出願に係る発明は、ホッパー本体と、シャフトと、底蓋とを有するリチャージ装置において、前記ホッパー本体は、略円筒形状の石英ガラスの筒体と、前記筒体の上部を覆う天板と、前記天板に穿設されたシャフト挿通用の貫通穴と、前記筒体の外周に設けられた第１のストッパーと、を有し、前記シャフトは、吊り棒と、前記吊り棒の中程に固定され前記ホッパー本体を掛止するための第２のストッパーと、前記底蓋と一体として成形された石英ガラス棒と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒とを連結する連結器と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒と前記連結器とを覆う略円筒形状の石英管と、を有し、前記底蓋は、気泡を含んだ断熱性の高い石英ガラスからなる、ことを特徴とするリチャージ装置である。

また、本出願に係る発明は、前記底蓋は、中空円錐形状であって、底面に空気穴を有することを特徴とする上記第１〜第７の発明の何れか１つに記載のリチャージ装置である。

更に、本出願に係る発明は、インゴットの原料融液を収容する坩堝と、前記原料融液を加熱するヒータと、前記坩堝及びヒータを収容するチャンバと、前記インゴットの原料を追加するためのリチャージ装置と、を有するインゴット引上げ装置において、前記リチャージ装置は、略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、を有し、前記底蓋の材質に気泡を含んだ石英ガラスを用いたことを特徴とするインゴット引上げ装置である。

また、本出願に係る発明は、インゴットの原料融液を収容する石英坩堝と、前記石英坩堝を囲繞する黒鉛坩堝と、前記黒鉛坩堝を囲繞するヒータと、前記各部材を収容するチャンバと、チャンバの上部にゲートバルブを介して設けられたサブチャンバと、前記サブチャンバの前面に設けられた開閉可能なサブチャンバ蓋と、前記サブチャンバの内面に設けられたフランジ状のゲートと、上下動可能に支持したシード軸と、前記シード軸に吊り下げられたホッパーと、を有するインゴット引上げ装置において、前記ホッパーは、ホッパー本体と、シャフトと、底蓋とを有し、前記ホッパー本体は、略円筒形状の石英ガラスの筒体と、前記筒体の上部を覆う天板と、前記天板に穿設されたシャフト挿通用の貫通穴と、前記筒体の外周に設けられ前記ホッパー本体を前記ゲートに掛止することができる第１のストッパーと、を有し、前記シャフトは、長さ調節が可能な吊り棒と、前記吊り棒の中程に固定され前記ホッパー本体を掛止することができる第２のストッパーと、前記底蓋と一体として成形された石英ガラス棒と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒とを連結する連結器と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒と前記連結器とを覆う略円筒形状の石英管と、を有し、前記底蓋は、気泡を含んだ断熱性の高い石英ガラスからなる、ことを特徴とするインゴット引上げ装置である。

更に、本出願に係る発明は、インゴットの原料融液を収容する坩堝と、前記原料融液を加熱するヒータと、前記坩堝及びヒータを収容するチャンバと、前記原料融液に種結晶の少なくとも一部を浸して引上げることによりインゴットを作成する引上げ手段と、前記塊状の多結晶シリコンを追加するためのホッパーと、を有するインゴット引上げ装置を用いてインゴットを製造する方法であって、前記坩堝内に塊状の多結晶シリコンを供給し、該多結晶シリコンを前記ヒータで加熱することにより前記坩堝内に前記原料融液を作成し、前記引上げ手段により前記原料融液に前記種結晶の少なくとも一部を浸す前に、前記ホッパーにより前記坩堝内に塊状の多結晶シリコンを追加する、ことを特徴とするインゴット製造方法である。

本発明のシリコン単結晶引上げ装置によれば、リチャージの際、融液からの熱輻射によるランプ材の加熱を抑制することができるため、ランプ材をスムーズに石英坩堝に投入することができる。

すなわち、本発明のシリコン単結晶引上げ装置ではホッパー本体と、シャフトと、ランプ材とは、底蓋の上部に位置し、融液からの熱輻射は下方から当っている。また、不透明石英の赤外線透過率は４０％〜６０％であり、透明石英の９０％に比べ格段に低い。そのため、融液からの熱輻射によるランプ材の温度上昇を減少させることができる。したがって、従来のシリコン単結晶引上げ装置によると、リチャージの際、ランプ材が底蓋上で溶融して貼り付いたり、熱膨張によりブリッジを形成して落下しなくなることがあったが、本発明のシリコン単結晶引上げ装置によれば、ランプ材の加熱を抑制し、ランプ材の引っかかり頻度を格段に改善することができる。

また、近年、半導体ウェーハの直径は２００ｍｍを越えた３００ｍｍのものが主流になりつつあり、それに伴って単結晶インゴットに要求される直径も大きくなっている。この単結晶の大型化に伴うチャージ量の増大、リチャージ重量の増大に対して、大重量のランプ状半導体原料を装填可能にするため、本発明のシリコン単結晶引上げ装置は、重量をシャフトで支持する構造としている。すなわち、本発明のシリコン単結晶引上げ装置では、ストッパーによりホッパー本体の全重量が支えられているため、ホッパー本体の重量が底蓋の周縁部にかからない。そのため、破損の可能性を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図８を用いて説明する。但し、以下は本発明の１実施の形態に過ぎず、当業者の技術常識に基づいて適宜変更可能であり、本発明の技術的思想はこれらの具体例に限定されるものではない。

ここで、図１は本発明の実施の形態におけるチョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面におけるシリコン単結晶引上げ装置１０の横断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面におけるシリコン単結晶引上げ装置１０の横断面図、図３はリチャージ工程おけるシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、図４はリチャージ工程おいてランプ材５０を投入中のシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、図５はリチャージ工程おいて空になったホッパー３０を引き上げ中のシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、図６は単結晶インゴット引上げ工程おいてシード軸１６に種結晶４２を吊り下げた状態のシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、図７は単結晶インゴット引上げ工程おいて単結晶インゴット１を引上げた状態のシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、図８は石英坩堝２０に投入されたランプ材が溶融される前の状態のシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図、である。

まず、シリコン単結晶引上げ装置１０の全体構成について簡単に説明し、その後各装置について詳しく説明する。図１に示すように、本実施の形態におけるシリコン単結晶引上げ装置１０は、主として、石英坩堝２０と黒鉛坩堝２２とヒータ２４を囲繞するチャンバ１２と、チャンバ１２の上部に設けられ原料融液から引上げられた単結晶インゴットを保持し取り出すためのサブチャンバ１４と、種結晶またはホッパー３０を掛止するシード軸１６と、から構成される。

まず、チャンバ１２について説明する。図１に示すように、有底円筒形状のチャンバ１２は、その底部中央から回転軸を鉛直上方に向けた状態で、上下動自在な支持軸２８を配置している。支持軸２８の上端には椀状の黒鉛坩堝２２を固定しており、黒鉛坩堝２２の内部には椀状の石英坩堝２０を嵌合している。石英坩堝２０と黒鉛坩堝２２の２重構造としたのは、原料融液に直接接する坩堝はシリコンに対する汚染を防止するために、石英坩堝２０とすることが望ましいからである。一方、石英は高温で軟化すると共に、脆く破損しやすいという性質を有するため、その周囲を黒鉛坩堝２２で囲繞している。

黒鉛坩堝２２の周囲はヒータ２４に囲繞されており、このヒータ２４により石英坩堝２０内に投入された多結晶シリコンのランプ材５０を溶融する。ヒータ２４の周囲にはチャンバ１２と同心円状に円筒形状の断熱材２６を配置している。断熱材２６はヒータ２４からの熱がチャンバ１２に直接輻射されることを防止している。

図１に示すように、チャンバ１２上部にはゲートバルブ１８を介して略円筒形状のサブチャンバ１４が連結されている。チャンバ１２とサブチャンバ１４とは、このゲートバルブ１８により連通または遮断可能となっている。一方、図示しないが、サブチャンバ１４の上端は天板により封鎖されている。図２（ａ）に示すように、サブチャンバ１４の前面には開閉可能なサブチャンバ蓋４０を備えており、このサブチャンバ蓋４０を開くことにより、引上げられた単結晶インゴット１の取り出しや、ホッパー３０のシード軸１６への取り付けを可能としている。なお、図１に示すように、サブチャンバ１４の内周面には、後述のストッパー６４を掛止するための中心に向かって突出したフランジ状のゲート４４を設けている。

サブチャンバ１４上部には、図示しないシード軸引上げ装置を設けている。シード軸引上げ装置は、シード軸１６を上下動自在に保持しており、シード軸１６は天板を通して、サブチャンバ１４の中心軸に沿って吊り下げられている。シード軸１６の下端には、単結晶インゴット引上げ工程の際には種結晶が吊り下げられ、リチャージ工程の際にはホッパー３０が吊り下げられる。

次に、リチャージの際にシード軸１６に掛止するホッパー３０の構成について図１を用いて説明する。本実施の形態のホッパー３０は主としてホッパー本体３２と、シャフト３４と、底蓋３６とから構成される。

図１に示すように、ホッパー本体３２は小径略円筒形状の上部筒体５２と、大径略円筒形状の下部筒体５４とを上下に直列に接続した形状をしている。上部筒体５２の下端にはフランジ５６を設けている。一方、下部筒体５４の上端にはフランジ５８を設けている。

下部筒体５４は、シリコンへの汚染を防止するために、石英製としている。なお、下部筒体５４を透明の石英で構成することにより、ホッパー３０内部に装填した多結晶シリコンのランプ材５０が全て落下したか否かを確認することができる。

フランジ５６の周縁部下端には略円筒形状で断面コ字型の連結器６０をボルトにより固定している。連結器６０は周方向に分割された２つの部材よりなり、フランジ５８を挟み込んで固定している。この連結器６０の下面には４つのねじ穴を設け、このねじ穴に４本のＳＵＳ製のストッパー６４を固定している。このストッパー６４は、ゲート４４に掛止させるためのものである。

図１及び図２（ａ）に示すように、フランジ５６には２本の回り止め６２を固定している。鍵形の回り止め６２は根元部をフランジ５６に固定している。一方、回り止め６２の先端部にはポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂よりなるローラ６２ａを回転可能に設けている。ローラ６２ａは水平な回転軸を中心として回転可能となっている。そのため、ホッパー３０は、ローラ６２ａをサブチャンバ１４の内壁面に当接した状態で滑らかに上下動可能となっている。

このように回り止め６２及びローラ６２ａを設けることにより、ホッパー３０を吊った状態でランプ材５０を装填しても、ホッパー３０が不用意に回転しない。また、ランプ材５０を投下したときにも、ホッパー３０が不用意に回転しないため、振れ等により、炉内品及びチャンバと接触破損することを防止することができる。

このように構成されたホッパー本体３２の内部に、図１に示すように、シャフト３４を挿通している。シャフト３４は主として、ストッパー７０と、吊り棒７２と、連結器７４と、石英管７８と、底蓋３６と一体として成形された石英ガラス棒７６と、からなる。

シャフト３４の上部は金属製の吊り棒７２により構成されており、その上端はシード軸１６に固定されている。上部筒体５２の天板６６には吊り棒７２が挿通するための貫通穴６８が穿設されており、吊り棒７２は、貫通穴６８を通して、ホッパー本体３２内部に挿通されている。吊り棒７２の中程には、円筒形状の金属製のストッパー７０が固着されている。ストッパー７０の外径は、貫通穴６８の径よりも大きくしているため、ストッパー７０によりホッパー本体３２が掛止される。

このように構成することにより、ストッパー７０によりホッパー本体３２の全重量を支えることができる。なお、吊り棒７２は長さ調節が可能なように構成しており、ストッパー７０でホッパー本体３２を掛止したときに、底蓋３６と下部筒体５４との隙間が無くなると共に、ホッパー本体３２の重量が底蓋３６周縁部にかからないように長さを調節している。

この吊り棒７２の下端を、連結器７４を介して石英ガラス棒７６上端と連結している。そして、金属製の吊り棒７２と石英ガラス棒７６を覆うように、上部が小径な略円筒形状の石英管７８を配置している。この石英管７８により、金属部分をカバーし、原料シリコンであるランプ材５０に対する金属汚染を防止している。

一方、前述のように、石英ガラス棒７６は底蓋３６と一体として成形されており、底蓋３６は石英ガラス棒７６の下端に位置している。底蓋３６は円錐形状をしており、底面の直径は下部筒体５４の内径よりも大きい。底蓋３６は気泡を含むことによって断熱性の高くなった石英ガラスから構成し、底蓋３６の内部は空洞である。底蓋３６には図２（ｂ）に示すように、４つの空気穴８０が穿設されている。この空気穴８０により、チャンバ１２やサブチャンバ１４の内部と底蓋３６内の空洞部の気圧を同一に保っている。

なお、本実施の形態では、気泡を含んだ石英ガラスから底蓋３６を構成したが、透明石英ガラスよりも赤外線透過率の低い部材であれば良く、例えば、透明石英に比し、赤外線透過率が４０％〜７０％低い不透明石英等を用いることができる。また、色付き石英ガラスなどの、その他の素材から構成しても良い。更に、耐熱性に優れると共に、図３に示す融液３８からの熱輻射を反射してランプ材５０の温度上昇を防止すべく、モリブデン製の薄い板を底蓋３６内の空洞部の内壁の一部に貼っても良い。ただし、原料シリコンへの汚染を考慮すると、底蓋３６は、気泡を含んだ断熱性の高い石英ガラスから構成するのが最も好ましい。

本発明のシリコン単結晶引上げ装置１０ではホッパー本体３２と、シャフト３４と、ランプ材５０とは、底蓋３６の上部に位置し、融液３８からの熱輻射は下方から当っている。また、不透明石英の赤外線透過率は４０％〜６０％であり、透明石英の９０％に比べ格段に低い。そのため、融液３８からの熱輻射によるランプ材５０の温度上昇を減少させることができる。したがって、従来のシリコン単結晶引上げ装置によると、リチャージの際、ランプ材が底蓋上で溶融して貼り付いたり、熱膨張によりブリッジを形成して落下しなくなることがあったが、本発明のシリコン単結晶引上げ装置１０によれば、ランプ材５０の加熱を抑制し、ランプ材５０の引っかかり頻度を格段に改善することができる。

なお、図４に示すように、ホッパー３０の内部に装填したランプ材５０が熱膨張によりブリッジを形成することにより、石英管７８が下部筒体５４に固定され、石英管７８が底蓋３６と共に下降しないことがある。このように石英管７８が下降せず、底蓋３６のみが下降しても、底蓋３６を石英ガラス棒７６により吊り下げる構造としているため、ランプ材５０が金属部に接触することがない。

次に、上記のように構成されたシリコン単結晶引上げ装置１０の動作について、図１及び図３乃至図７を用いて説明する。

まず始めに、シリコン単結晶引上げ装置１０は、ゲートバルブ１８を開き、サブチャンバ蓋４０を閉じた状態にしておく。

次に、チャンバ１２及びサブチャンバ１４を不活性ガスで置換した後、不活性ガスを流したままの状態で低圧に保つ。その後、ヒータ２４を加熱することにより、予め石英坩堝２０の内部に投入されている多結晶シリコンのランプ材５０を溶融し、原料融液３８とする。

次に、ゲートバルブ１８を閉め、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを遮断する。これにより、チャンバ１２内を不活性雰囲気に保持し原料融液３８の酸化を防止した状態で、サブチャンバ１４内を常圧に戻す。その後、サブチャンバ蓋４０を開き、図６に示すように、シード軸１６の下端に種結晶４２を吊り下げる。

シード軸１６の下端に種結晶４２を吊り下げた後、サブチャンバ蓋４０を閉じ、サブチャンバ１４を密閉する。その後、サブチャンバ１４を減圧し、サブチャンバ１４内部を不活性雰囲気で満たす。次に、ゲートバルブ１８を開き、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを連通する。この状態で、種結晶４２は融液３８の直上に位置するため、融液３８の輻射熱により予熱される。

次に、シード軸１６引上げ装置を駆動し、シード軸１６下端に吊り下げられた種結晶４２を下降させ、種結晶４２の少なくとも一部を原料融液３８に浸す。種結晶４２が原料融液３８に浸されると、種結晶４２下方に徐々に単結晶シリコンが成長する。単結晶シリコンが成長するに従い、所定速度で種結晶４２を引き上げることにより、所望の直径及び長さを有する単結晶インゴット１を引上げることができる。

その後、成長した単結晶インゴット１を、サブチャンバ１４まで上昇させる。図７に示すように、単結晶インゴット１が、サブチャンバ１４まで完全に上昇した後に、ゲートバルブ１８を閉め、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを遮断する。これにより、チャンバ１２内を不活性雰囲気に保持し、原料融液３８の酸化を防止した状態で、サブチャンバ１４内を常圧に戻す。その後、サブチャンバ蓋４０を開き、単結晶インゴット１を取り出す。以上により単結晶インゴットの製造工程が終了する。

次に、リチャージ工程について説明する。原料となる多結晶シリコンのランプ材５０をホッパー３０に装填した後に、サブチャンバ蓋４０を開き、ホッパー３０をシード軸１６に吊り下げる。この状態では、ホッパー本体３２はストッパー７０により掛止されているが、底蓋３６とホッパー本体３２との間に隙間はない。

次に、サブチャンバ蓋４０を閉じ、サブチャンバ１４を密閉する。その後、サブチャンバ１４を減圧し、サブチャンバ１４内部を不活性雰囲気で満たす。次に、ゲートバルブ１８を開き、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを連通する。この状態で、シード軸１６を下降させることにより、シード軸１６と共に、シード軸１６に吊り下げられたホッパー３０が下降する。

ホッパー３０が下降していくと、図３に示すように、ストッパー６４がゲート４４に当接する。この状態から更にシード軸１６を下降させると、ゲート４４によりホッパー本体３２の下降が阻止され、図４に示すようにシャフト３４と底蓋３６が更に下降する。すると、ホッパー本体３２と、底蓋３６との間に隙間８２ができ、この隙間８２から多結晶シリコンのランプ材５０が自重により石英坩堝２０内に落下する。

ホッパー３０内部に装填された全ての多結晶シリコンのランプ材５０が、石英坩堝２０内に投入された後、シード軸１６を上昇させる。すると、シード軸１６と共にシャフト３４と底蓋３６が上昇する。シャフト３４が一定距離上昇し、図５に示す状態となると、ストッパー７０が天板６６に接触することにより、ホッパー本体３２が掛止される。この状態から更にシード軸１６を上昇させると、シード軸１６と共に、シャフト３４，底蓋３６，ホッパー本体３２が一体となって上昇する。

ホッパー３０が、サブチャンバ１４まで完全に上昇した後に、ゲートバルブ１８を閉め、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを遮断する。これにより、チャンバ１２内を不活性雰囲気に保持し、原料融液３８の酸化を防止した状態で、サブチャンバ蓋４０を開き、サブチャンバ１４内を常圧に戻す。その後、ホッパー３０を取り出す。以上によりリチャージ工程が終了する。

上記の単結晶インゴット引上げ工程と、リチャージ工程とを繰り返すことにより、石英坩堝２０を交換することなく単結晶インゴットを連続して製造することができる。

なお、本実施の形態では底蓋３６の内部を空洞としたが、底蓋３６を内部が空洞でない円錐形状としても良い。

また、本実施の形態では、ホッパー本体３２を略円筒形状にしたため、底蓋３６を円錐形状としたが、底蓋３６の形状は円錐形状に限られず、ホッパー本体３２下端開口部を封止できれば、どのような形状としても良い。例えば、ホッパー本体３２を内部空洞の直方体形状とした場合は、底蓋３６の形状は四角錐とすることができる。

更に、本実施の形態では、ゲートバルブ１８とゲート４４とを別々に構成したが、ゲートバルブ１８とゲート４４とを一体として構成しても良い。

また、本実施の形態では、単結晶インゴットを引上げた後のリチャージのために、本リチャージ装置を使用した。しかし、本リチャージ装置の用途はリチャージに限るものではなく、大量チャージ等にも使用することができる。

ここで、大量チャージとは、１回の単結晶インゴット引上げにおいて、なるべく大きい単結晶インゴットを引上げることにより原価低減を図ることを目的とし、初期チャージされた多結晶シリコンのランプ材５０が溶融した後に、更に多結晶シリコンのランプ材５０を追加投入し、石英坩堝２０内に原料融液３８を大量にチャージすることをいう。

すなわち、素材として図１に示す多結晶シリコンのランプ材５０を用いているため、溶解後に各ランプ材５０間の隙間部８４が埋まり、図８に示すように、融液３８の液面レベルが下がる。そのため溶解後に本リチャージ装置により多結晶シリコンを追加投入することができる。

図９は、多結晶シリコンのランプ材５０を石英坩堝２０に追加投入した後の図である。ランプ材５０を追加投入することにより、図９に示すように、融液３８の液面レベルが上がり、石英坩堝２０内に大量の原料シリコンをチャージすることができる。これにより、より長い単結晶インゴットを引上げることができ、原価低減を図ることができる。

更に、インゴットの材質及び大きさに関しては、本発明を実施するにあたり何ら制限は無く、現在製造されている直径及び長さのシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の単結晶インゴットは勿論のこと、将来製造可能となる非常に大きな直径及び長さのインゴットに対しても本発明を適用することができる。

このように本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、底蓋の形状や材質、その他の構造に関し、発明の要旨の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

［実施データ］
従来のホッパーを用いてリチャージを行った場合と、本願発明におけるホッパーを用いてリチャージを行った場合との効果について、表１を用いて以下に具体的に説明する。

表１は、ホッパーを用いてランプ材をリチャージする際、ランプ材が底蓋上で溶融して、貼り付いたり、熱膨張によりブリッジを形成たりして、落下しなくなる割合を示したものである。

表１に示すように、底蓋を不透明石英で構成した本願発明のホッパーを用いた場合に、底蓋を透明石英で構成した従来のホッパーを用いた場合に比し、リチャージの際のランプ材引っかかり率が格段に改善された。ここでランプ材引っかかり率とは、全リチャージ回数に対するランプ材の引っかかりが発生したバッチ数の割合をいう。

次に本件発明の前記実施の形態から把握できる請求項以外の技術的思想を、その効果とともに記載する。

シャフトと、ホッパー本体と、底蓋と、を有するホッパーにおいて、透明石英に比し赤外線透過率の低い物質により底蓋を構成する。このように、赤外線透過率の低い物質により底蓋を構成することにより、融液からの熱輻射によるランプ材の温度上昇を抑制し、ランプ材が底蓋上で溶融して貼り付いたり、熱膨張によりブリッジを形成して落下しなくなることを抑制することができる。

シャフトと、ホッパー本体と、底蓋と、を有するホッパーにおいて、シャフトに固定したストッパーにより、ホッパー本体を掛止する。このように、ストッパーによりホッパー本体を掛止することにより、ホッパー本体の重量が底蓋の周縁部に負荷されず、石英で構成されたホッパー本体の下端と、底蓋の周縁部の破損を防止することができる。

シャフトと、ホッパー本体と、底蓋と、を有するホッパーにおいて、シャフトを覆う石英製の管を有する。このように、シャフトを石英製の管で覆うことにより、ランプ材への汚染を防止することができる。

シャフトと、ホッパー本体と、底蓋と、を有するホッパーにおいて、ホッパーの回転を抑止する回り止めを設ける。このように、ホッパーが回り止めを有することにより、ホッパーをサブチャンバに入れホッパーを吊った状態でランプ材を装填しても、ホッパーが不用意に回転しない。また、ランプ材を投下したときにも、ホッパーが不用意に回転しないため、振れ等により、炉内品或いはチャンバと接触破損することを防止することができる。

シャフトと、ホッパー本体と、底蓋と、を有するホッパーにおいて、回り止めの先端に回転可能なローラを設ける。このように、回り止めの先端に回転可能なローラを設けることにより、ホッパーはサブチャンバ内を滑らかに上下動することができる。

本発明の実施の形態におけるシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面におけるシリコン単結晶引上げ装置の横断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面におけるシリコン単結晶引上げ装置の横断面図である。 リチャージ工程おけるシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 リチャージ工程おいてランプ材投入中のシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 リチャージ工程おいて空になったホッパーを引き上げ中のシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 単結晶インゴット引上げ工程おいてシード軸に種結晶を吊り下げた状態のシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 単結晶インゴット引上げ工程おいて単結晶インゴットを引上げた状態のシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 石英坩堝に投入されたランプ材が溶融された後の状態のシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 多結晶シリコンのランプ材を石英坩堝に追加投入した後の図である。 チョクラルスキー法を用いた一般的な単結晶インゴット引上げ装置の縦断面図である。 中吊り式のホッパーに透明石英を用いた従来のシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。

符号の説明

１…単結晶インゴット
１０…シリコン単結晶引き上げ装置
１２…チャンバ
１４…サブチャンバ
１６…シード軸
１８…ゲートバルブ
２０…石英坩堝
２２…黒鉛坩堝
２４…ヒータ
２６…断熱材
２８…支持軸
３０…ホッパー
３２…ホッパー本体
３４…シャフト
３６…底蓋
３８…融液
４０…サブチャンバ蓋
４２…種結晶
４４…ゲート
５０…ランプ材
５２…上部筒体
５４…下部筒体
５６…フランジ
５８…フランジ
６０…連結器
６２…回り止め
６２ａ…ローラ
６４…ストッパー
６６…天板
６８…貫通穴
７０…ストッパー
７２…吊り棒
７４…連結器
７６…石英ガラス棒
７８…石英管
８０…空気穴
８２…隙間
８４…隙間部
１１０…シリコン単結晶引き上げ装置
１２０…石英坩堝
１３６…底蓋。

Claims (8)

1. 略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げる吊持手段と、を有するリチャージ装置において、
   前記ホッパー本体に設けられホッパー本体を坩堝上方の所定位置に掛止するための第１のストッパーと、
   前記吊持手段に設けられ前記ホッパー本体を掛止するための第２のストッパーと、
   前記吊持手段を覆う略円筒形状の石英管と、
   前記ホッパー本体に、回り止めを有することを特徴とするリチャージ装置。
2. 略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げる吊持手段と、を有するリチャージ装置において、
   前記ホッパー本体内に、前記吊持手段を覆う略円筒形状の石英管を有することを特徴とするリチャージ装置。
3. 前記石英管は前記吊持手段に対して摺動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチャージ装置。
4. 略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げる吊持手段と、を有するリチャージ装置において、
   前記吊持手段に設けられ前記ホッパー本体を掛止するためのストッパーを有することを特徴とするリチャージ装置。
5. 略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を吊り下げる吊持手段と、を有するリチャージ装置において、
   前記ホッパー本体に、回り止めを有することを特徴とするリチャージ装置。
6. 石英ガラスの略筒状のホッパー本体と、前記ホッパー本体の下端開口部を開閉する錐体の底蓋と、前記底蓋を吊り下げたシャフトと、前記ホッパー本体に設けられホッパー本体を坩堝上方の所定位置に掛止するための第１のストッパーと、を有するリチャージ装置において、
   前記ホッパー本体は、上端開口部を覆う天板と、前記天板に穿設されたシャフト挿通用の貫通穴と、を有し、
   前記シャフトは、長さ調節が可能な吊り棒と、前記吊り棒の中程に固定され前記ホッパー本体を掛止するための第２のストッパーと、前記底蓋と一体として成形された石英ガラス棒と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒とを連結する連結器と、を有することを特徴とするリチャージ装置。
7. チョクラルスキー法による単結晶の育成に用いられ、固形原料をルツボ内の原料融液にチャージする原料供給装置であって、
   前記固形原料を充填する円筒状の原料供給管と、
   前記原料供給管の下方開口端を開閉する円錐状の底蓋と、
   前記原料供給管の内部を保護管で被覆されつつ貫通し前記底蓋に連結され、底蓋の下降並びに原料供給管および底蓋の上昇を可能とする吊持部材と、
   前記原料供給管の下降を停止させる掛止部材と、
   前記吊持部材を介して前記原料供給管および底蓋を吊り下げて昇降可能にする引き上げ手段とを具備し、
   前記原料供給管の下方開口端を開放し、ルツボ内の原料融液に前記固形原料を投入することを特徴とする原料供給装置。
8. インゴットの原料融液を収容する石英坩堝と、前記石英坩堝を囲繞する黒鉛坩堝と、前記黒鉛坩堝を囲繞するヒータと、前記各部材を収容するチャンバと、チャンバの上部にゲートバルブを介して設けられたサブチャンバと、前記サブチャンバの前面に設けられた開閉可能なサブチャンバ蓋と、前記サブチャンバの内面に設けられたフランジ状のゲートと、上下動可能に支持したシード軸と、前記シード軸に吊り下げられたホッパーと、を有するインゴット引上げ装置において、
   前記ホッパーは、ホッパー本体と、シャフトと、底蓋とを有し、
   前記ホッパー本体は、略円筒形状の石英ガラスの筒体と、前記筒体の上部を覆う天板と、前記天板に穿設されたシャフト挿通用の貫通穴と、前記筒体の外周に設けられ前記ホッパー本体を前記ゲートに掛止することができる第１のストッパーと、を有し、
   前記シャフトは、長さ調節が可能な吊り棒と、前記吊り棒の中程に固定され前記ホッパー本体を掛止することができる第２のストッパーと、前記底蓋と一体として成形された石英ガラス棒と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒とを連結する連結器と、前記吊り棒と前記石英ガラス棒と前記連結器とを覆う略円筒形状の石英管と、を有することを特徴とするインゴット引上げ装置。

Images